自寻迹机器人小车的设计与关键技术研究

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所属分类:AGV设计资料
摘要

自寻迹机器人小车(Automated Guided Vehicle,简称AGV,也称AGV机器人)最早出现在美国,主要用于制造和装配过程中的运输工具。随着德国“工业4.0”和“中国制造2025”的提出,世界各国都在加快“机器换人”的步伐,AGV机器人作为制造业和物流领域的关键设备,在世界各国得到广泛推广和应用。本文详细研究了国内外AGV的发展现状,对现有关键技术进行了深入分析。针对大型电商仓库配送或者工厂生产线的物料配送,利用AGV实现“物到人”的自动配送作业模式。由于AGV产品结构形式多样,功能也各有不同,现有AGV无法满足特殊的功能要求。本文从实际情况出发,根据不同配送作业要求和功能需求,主要完成了以下研究内容:首选,对AGV的机械结构方案进行了设计。根据总体方案要求,详细设计了AGV的机体结构、举升和旋转机构、驱动机构的传动方案。完成了AGV关键机械结构的设计和计算,对举升机构的丝杠和减速电机进行了详细计算和校核,保证了举升动作的平稳性。根据AGV实际工作环境,对驱动机构进行了详细设计,完成了AGV运动阻力的计算及驱动电机的参数选择,并详细设计了驱动机构的悬架系统。第二,完成了AGV运动过程的建模。根据AGV导航特点,对转向过程进行分析,选择合适的差速方法。结合AGV行驶轨迹特点,建立了电子差速数学模型。为了提高AGV行驶轨迹精度,采用位置传感器和陀螺转角仪对行驶轨迹进行检测,通过对磁导航过程进行分析,建立了AGV运动学模型。第三,对AGV控制系统进行了深入研究。结合经典PID控制算法,对AGV控制方法进行了分析,提出了基于位置控制和转角控制的双闭环PID控制算法。根据位置反馈和转角反馈结果,分别采用不同的PID控制算法。在位置反馈环节,采用递推PID控制算法,减小了运算量;在转角反馈环节,采用增量式PID控制算法,在保证位置精度的前提下,根据转角反馈结果,对左右驱动轮进行预先控制,以达到提高行驶轨迹精度的目的,同时还可以有效减小位置控制的超调量和调整时间。最后,根据控制系统要求,完成了控制系统硬件设计。这部分内容主要包括控制系统总体方案设计、控制单元的选择、磁条传感器、陀螺转角仪及避障传感器的型号选择和接口电路设计,同时,完成了无线通讯系统的设计,主要包括组态控制软件、后台服务器、无线AP及嵌入式PC之间的通讯接口设计。论文完成了AGV的关键机械结构设计,并对其运动过程进行了数学建模,根据运动规律提出了基于位置控制和转角控制的双闭环PID控制算法,可以有效改善行驶的轨迹精度,同时保证了控制系统的稳定性。所研究和设计的AGV结构紧凑,导航精度较高,可以用于大型仓储及工厂物流。

目 录

自寻迹机器人小车的设计与关键技术研究

图 2.5 常见 AVG 机器人驱动方式

第 1 章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义
1.2 搬运 AGV 机器人发展现状
1.2.1 国外发展现状
1.2.2 国内发展现状
1.3 搬运 AGV 机器人的关键技术
1.3.1 自动导航技术
1.3.2 智能避障技术
1.3.3 智能控制技术
1.4 论文的主要研究内容
1.5 本章小结

第 2 章 总体方案设计

2.1 功能需求
2.2AGV 机器人机械结构方案设计
2.2.1 机体结构设计
2.2.2 举升及旋转机构设计
2.2.3 驱动方案设计
2.3 控制与通讯模块方案设计
2.4 本章小结

第 3 章 关键机械结构设计和计算

3.1 举升与旋转机构的设计
3.1.1 举升机构的结构形式及运行条件
3.1.2 丝杠的设计和计算
3.1.3 减速电机的选择计算
3.1.4 旋转机构的设计
3.2 驱动机构的设计
3.2.1 AGV 运动阻力的计算
3.2.2 AGV 驱动电机的选择
3.2.3 驱动机构的悬架系统设计
3.3 本章小结

第 4 章 AGV 的运动过程建模

4.1 AGV 转向运动过程分析
4.2 电子差速理论模型建立
4.2.1 电子差速技术简介
4.2.2 电子差速数学模型
4.3 AGV 运动学控制模型建立
4.3.1 磁导航过程分析
4.3.2 运动学模型建立
4.4 本章小结

第 5 章 AGV 控制系统研究

5.1 驱动电机双闭环控制
5.1.1 经典 PID 控制算法
5.1.2 PID 控制算法的数字化实现
5.1.3 驱动电机双闭环 PID 控制
5.2 控制系统硬件设计
5.2.1 AGV 硬件系统总体设计
5.2.2 传感器信号接口设计
5.2.3 无线通讯系统设计
5.3 本章小结

第 6 章 总结与展望

6.1 总结
6.2 展望

参考文献

致 谢

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